XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадки электричества
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Родители часто говорят детям такую фразу: «Осторожно, там электричество!» А что же это такое и, почему с ним нужно быть осторожным? Я заметил, что большинство приборов, такие как телевизор, компьютер, миксер, чайник и даже мамин фен работают только тогда, когда их включили в розетку. А такие как фонарик, сотовый телефон, часы, пульт от телевизора могут работать от батарейки. Значит, электричество можно накапливать и передавать. В батарейке оно может закончиться, а в розетке есть всегда. Чтобы найти ответ на эти вопросы я решил провести исследование.
Актуальность темы: Современная жизнь невозможна без электричества. Но если с ним неправильно обращаться, оно может стать опасным для жизни.
Цель:выяснить, что такое электричество, электрический ток, электрическое напряжение, когда оно возникает.
Задачи:
-
узнать, что такое электричество и как оно появляется;
-
узнать, как накапливается электричество;
-
изучить и обработать научную литературу, интернет ресурсы об электрической энергии;
-
проанализировать и сравнить результаты наблюдения данных и сделать выводы.
-
сформулировать ответы на поставленные в начале вопросы.
Объект исследования: процесс появления электричества
Предмет исследования: технология получения и сохранения электричества в домашних условиях на основе опытов, наблюдений.
Методы исследования:анализ литературы по изучаемой теме, сравнение, эксперимент.
Исследовательская работа рассчитана на повышение и расширение уровня знаний по окружающему миру.
Гипотеза: электричество является составной частью природы, окружающего мира.
Глава 1.
-
-
. Что такое электричество?
-
Электричество — это действительно просто организованная молния.
— Джордж Карлин
Электричество — это совокупность явлений, возникающих в результате движения и взаимодействия положительных и отрицательных электрических зарядов тел.
Электрический заряд является фундаментальным свойством материи и переносится элементарными частицами. По сути, притяжение и отталкивание — две основные характеристики зарядов. Силы отталкивания действуют между одноименными зарядами, а силы притяжения действуют между противоположными зарядами.
То есть электричество — это сила, возникающая в результате притяжения или отталкивания между частицами, содержащими положительный и отрицательный электрический заряд, и может проявляться как в состоянии покоя (статическом), так и в движении.
Большинство людей очень плохо понимают природу электричества. Многим из нас очень трудно ответить на вопрос: “Что такое электричество?”, так как мы не можем его увидеть. И мы, конечно же, не хотим его пробовать или чувствовать.
1.2. Кто изобрел электричество?
В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт написал трактат в котором он представил исследование электричества и магнетизма. Он использовал новое латинское слово electricus («янтарный» или «подобный янтарю», от греческого названия янтаря — электрон) для свойства материалов притягивать мелкие предметы после трения.
Это слово дало начало английским словам «электрический» и «электричество», которые впервые появились в печати в книге Томаса Брауна «Pseudodoxia Epidemica» 1646 года.
В середине 18 века, Бенджамин Франклин провел обширные исследования электричества и даже продал свою собственность, чтобы профинансировать свою работу.
Он провел очень опасный эксперимент: взял бумажного змея, прикрепил его к металлическому стержню, затем привязал конец веревки к ключу и вышел в бурю. Когда воздушный змей влетел в грозовое облако, Франклин увидел искры и почувствовал удар, когда электричество от облаков прошло от воздушного змея по веревке к ключу. Искры, выскочившие из ключа на тыльную сторону его ладони, свидетельствовали о том, что молния действительно имеет электрическую природу.
Изучение явлений, связанных с электричеством, ускорилось, и с конца 18 века был исследован и представлен ряд явлений и принципов, связанных с электричеством.
В 1791 году итальянец Луиджи Гальвани опубликовал статью о биоэлектромагнетизме (нейроны передают электрические импульсы мышцам).
В 1800 г. его соотечественник Алессандро Вольта создал первый надежный источник электрического тока.
Американский изобретатель электрической лампы накаливания, а прежде всего разработчик динамо-машины, обеспечивающей первое общественное электрическое освещение, Томас Алва Эдисон (1847-1931). Вольтов столб
Он известен, благодаря ряду других патентов - его имя является синонимом слова изобретатель. Эдисон защищал концепцию постоянного тока. Но, в конце концов победил переменный ток, за который ратовал Никола Тесла (1856-1943).
Массовое внедрение электричества в производстве и быту произошло в первой половине 20 века.
Дальнейшие открытия и изобретения в области электромагнетизма, фотоэлектрического явления и полупроводников заложили основы распространения электричества во все области человеческой жизни.
1.3. Электричество в природе
Самый яркий пример электричества в природе – это молнии. Что происходит в этот момент? Частички воды в облаках сталкиваются друг с другом и приобретают либо положительный, либо отрицательный заряд. Затем более лёгкие положительные частицы оказываются наверху, а тяжёлые отрицательные перемещаются вниз.
А когда два схожих облака оказываются поблизости, но на разной высоте, положительные заряды одного начинают притягивать отрицательные частицы второго – так возникает молния. Этот же процесс происходит между облаками и поверхностью земли.
Еще электричество вошло в нашу жизнь благодаря животным, в частности электрическим рыбам. Например, в основе электрофизиологического направления в медицине лежит использование в лечебных процедурах электрических скатов. Живые источники электричества в свою врачебную практику впервые ввёл известный древнеримский врач Клавдий Гален. Однажды в одной из маленьких деревушек Гален увидел странное зрелище: двое местных жителей шли ему навстречу с привязанными к голове скатами. Это «обезболивающее средство» нашло применение при лечении ран гладиаторов в Риме, куда Гален вернулся после завершения путешествия. Своеобразные физиопроцедуры оказались настолько действенными, что даже император Марк Антоний, страдавший болями в спине, рискнул воспользоваться непривычным способом лечения.
Южноамериканский электрический угорь способен генерировать электрические разряды напряжением до 500 вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создаёт напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде.
Неизвестно, когда бы всерьёз человечество взялось за электричество, если бы не удивительный случай, произошедший с женой известного болонского профессора Луиджи Гальвани. Не секрет, что итальянцы славятся широтой вкусовых пристрастий. Поэтому они не прочь иногда побаловаться лягушачьими лапками. День был ненастный, дул сильный ветер. Когда сеньора Гальвани зашла в мясную лавку, то её глазам открылась ужасная картина. Лапки мёртвых лягушек, словно живые, дёргались, когда касались железных перил при сильном порыве ветра. Сеньора так надоедала мужу своими рассказами о близости мясника с нечистой силой, что профессор решил сам выяснить, что же происходит на самом деле.
Это был тот самый счастливый случай, который разом перевернул жизнь итальянского анатома и физиолога. Принеся домой лягушачьи лапки, Гальвани убедился в правдивости слов жены: они действительно дёргались, когда касались железных предметов. В то время профессору было всего 34 года. Последующие 25 лет он потратил на то, чтобы найти разумное объяснение этому удивительному явлению. Результатом многолетних трудов явилась книга «Трактаты о силе электричества при мышечном движении», которая стала настоящим бестселлером и взволновала умы многих исследователей. Впервые заговорили о том, что электричество есть в каждом из нас и что именно нервы являются своеобразными «электропроводами». Гальвани казалось, что мышцы накапливают в себе электричество, а при сокращении испускают его. Эта гипотеза требовала дальнейших исследований.
Перед нами раскрывается интересная и своеобразная картина. Электричество в технике не только получается из любого другого вида природной энергии, но и само, в свою очередь, превращается в разнообразные другие виды энергии — в механическую, тепловую, лучистую, химическую.
При этом непосредственно из природы человек электричества не получает. В то же время он использует в технике обычно не непосредственно само электричество, а различные другие явления и виды энергии, которые получает с его помощью.
Таким образом, электричество является как бы своеобразным посредником между природными источниками энергии и производственными процессами. Электричество иногда называют «великим посредником», так как эта роль его в технике поистине колоссальна.
Глава 2
2.1. Производство электроэнергии
Чтобы гаджет или любой электроприбор заработал, нужно вставить вилку в розетку или нажать выключатель. Что же происходит в этот момент? Электрическая цепь замыкается, а заряд получает импульс для движения. Им может стать, например, нагревательный элемент утюга или аккумулятор мобильного телефона. В таком случае легко подумать, что источником энергии для приборов стала розетка, ведь именно в неё мы включили гаджет. Но на самом деле питанием для них стал ток. Как он попал в розетку и что из себя представляет?
Электрический ток – это движение заряженных частиц (электронов, ионов). Их ещё называют носителями заряда. Электричество, которое идёт по проводам к нам в дома, вырабатывается генераторами на специальных станциях. Там каждый из них соединён с постоянно вращающейся турбиной. Она постоянно крутится, используя разные источники энергии.
Какие это могут быть станции?
Гидроэлектростанции (ГЭС)
Строятся на реках, а в качестве энергии используют мощность водного потока.
Тепловые электростанции (ТЭС)
Работают на силе от сжигания топлива (чаще природного газа и угля).
А томные электростанции (АЭС)
Используют тепло от хода ядерной реакции.
Ветряные станции
Здесь источником силы служит ветер. Он толкает огромные лопасти ветряков, а они заставляют работать генератор, который вырабатывает ток. Чтобы снабдить электричеством населённый пункт, нужна целая сеть таких механизмов.
Если говорить совсем просто, то электрический ток можно сравнить с рекой, которая разливается на множество ручейков, питая приборы и гаджеты. А воды этой реки берут начало на специальных станциях.
2.2. Электричество в нашем доме
Мы уже знаем, что электричество люди получают благодаря электростанциям, на которых есть генераторы. Это большие машины, работающие от различных источников энергии.
Т акие аппараты при помощи огромного магнита производят поток зарядов (ток), который движется по проводам на огромные расстояния. Обработать столько энергии и удержать её помогает трансформатор. Это специальное устройство, которое повышает и понижает напряжение. С его помощью ток по кабелям движется к месту назначения.
Прежде чем попасть в дома и отдельные квартиры, электричество вновь проходит через трансформатор. И вот ток “бежит” по проводам к необходимым приборам и предметам!
Но как оно заставляет работать приборы? Для примера возьмём обычную лампочку и вновь вспомним про мельчайшие частицы.
Двигаясь по лампе, частицы тока с огромной скоростью наталкиваются на атомы металла, из которого состоит спираль. Атомы начинают раскачиваться, а их температура – подниматься. Электрический ток нагревает спираль до 3000 градусов, так появляется свет. Здесь важен материал спирали (проводника), он не должен плавиться из-за высокой температуры.
В современной технике (мобильных телефонах, компьютерах, телевизорах, микроволновых печах и др.) используют более сложные схемы, но общий принцип тот же – быстрый поток частиц нагревает атомы проводников, выделяется энергия, которая запускает в работу приборы.
2.3. Химический ток
Электрическую энергию можно получать различными способами, один из них осуществляется за счет преобразования энергии химических реакций. Впервые химический ток из химических растворов получил Алессандро Вольта. Он использовал соленую воду и металлы — цинк и медь. Таким образом была собрана первая соляная батарейка, которую назвали «Вольтовым столбом». Потом ее всячески совершенствовали, но изначально все было предельно просто.
Одной из основных характеристик источников химического тока, или просто батареек, считается возможность вторичного их использования. Выделяют 3 вида таких источников.
-
Гальванический элемент. Самые обычные батарейки, которые используются в различных электрических приборах: от фонарика до заводных игрушек. После того как в батарейке расходуется запас химических веществ, реакция проходить больше не может и ток не вырабатывается. Такие батарейки пр осто выбрасывают. Существуют два вида гальванических элементов, вырабатывающих первичный ток — соляные и щелочные.
-
Аккумуляторы. Повсеместно используются источники вторичного тока, которые заряжаются за счет электроэнергии. В этих случаях возможно возобновление окислительно-восстановительной реакции в реагентах.
-
Топливные элементы. Мало отличаются от обычных батареек. Но действуют по совершенно другому механизму. В этом случае система остается открытой и необходимые химические вещества постоянно поступают из вне. Причем в качестве восстановителя может выступать обычный водород, а окислителя — воздух или кислород в чистом виде. Такие элементы используются в условиях космического пространства для обеспечения электроэнергией космических станций.
Столь несложные конструкции используются в повседневной жизни каждым.
Опыт №1
П апа часто меня просит проверить уровень заряда в батарейках, годны они или лучше их утилизировать.
Для этого мне понадобится:
-
Мультиметр
-
Батарейки
Порядок выполнения действий:
-
Установить режим измерения постоянного тока.
-
Кратковременно прикоснуться щупами к выводам батарейки. Черным — к минусу, а красным — к плюсу.
Если величина напряжения батарейки находится в пределах 1,5 — 1,6 вольт, то элемент «свежий» и может использоваться по назначению. При показаниях от 1,35 до 1,45 вольт ресурс батарейки снижен, но какое-то время она еще будет работать. 1,2-1,35 В - удовлетворительное состояние источника питания, допускается применение в часах и других устройствах с малым энергопотреблением. При более низких показателях батарейку лучше заменить.
После проверки 10 батареек, только 2 оказались со среднем уровнем заряда. И они пригодны для использования. Старые батарейки я не выкидываю. Их необходимо отнести в пункты приема.
В батарейках содержатся различные металлы — ртуть, никель, кадмий, свинец, литий, марганец и цинк, которые накапливаются в живых организмах и наносят вред здоровью. Поэтому крайне важно не выбрасывать отработанные элементы питания вместе с обычными отходами, а сдавать в специальные контейнеры.
На карте моего города я нашел пункты приема.
По мере наполнения контейнеров в пунктах приема, батарейки забирают и отвозят в Челябинск на предприятие «Мегаполисресурс» для переработки. Это крупнейший в России переработчик батареек, аккумуляторов и электроники. Опираясь на мировой опыт, компания выработала наиболее эффективный способ утилизации: 94,4% материалов снова становятся ресурсами и возвращаются в промышленный оборот.
Опыт №2
Сможет ли светиться светодиод, если его подключить к аккумулятору?
Для этого мне понадобится:
-
Аккумулятор
-
Светодиодный модуль
Порядок выполнения действий:
Н ужно убедиться, что аккумулятор заряжен.
-
Установить режим измерения постоянного тока.
-
Кратковременно прикоснуться щупами к выводам аккумулятора. Черным — к минусу, а красным — к плюсу. Напряжение больше 12 вольт, значит заряжен.
Подключаю светодиодный модуль к аккумулятору.
-
Находим положительный и отрицательный полюсы батареи.
-
З атем подключаем положительный полюс светодиодного модуля к положительному полюсу батареи, а отрицательный полюс светодиодного модуля подключаем к отрицательному полюсу батареи.
Я сделал все правильно и светодиоды засветились.
Благодаря этому опыту я убедился, что подключить светодиод очень просто и не требует много усилий. Главное знать правила подключения.
2.4. Солнечная энергия
Еще один источник электрической энергии — это солнечные батареи, которые преобразуют энергию солнечного света в электричество. Когда солнце светит ярко, солнечные батареи могут создавать достаточно электроэнергии, чтобы питать небольшие устройства, такие как калькуляторы или часы.
Я дома пользуюсь солнечными батареями.
У меня есть напольные весы с солнечной батареей. Для работы им не нужны батарейки. Пусть хоть не много, но я помогу природе использовав экологичную энергию природы.
Чтобы их включить, я ставлю их «погреться» на солнышко. Если солнце яркое то, зарядиться им хватает пару секунд.
Когда на табло появляется значок солнышка, это означает, что весы готовы к работе.
Также на даче у нас стоят уличные светильники вдоль дорожки на солнечных батареях.
Уличный светодиодный фонарь работает от аккумулятора, заряжаемого от солнечной батареи. И применяется для освещения на открытом пространстве. Устройство автоматически включается с наступлением темноты и гаснет с рассветом. Источником освещения служит светодиод с мягким светом.
Их легко использовать. Чтобы их включить не требуются никакие инструменты. Не нужно лезть в провода и их подключать.
Просто «ножку» фонаря втыкаем в землю. И даем напитаться солнечным светом.
Опыт №3
Чтобы наглядно увидеть как работает солнечная энергия, я решил провести эксперимент.
Для этого мне понадобится:
-
Готовый кремниевый фотоэлемент
-
Провода
-
Вентилятор
-
Солнечная погода
П орядок выполнения действий:
-
Папа мне дал плату готовой кремниевой пластины.
-
К ней вечером он припаял провода
-
На другом конце я смонтировал вентилятор от старого компьютера.
-
Утром положил солнечную панель на окно. Но вентилятор отказался вращаться, потому что было пасмурно. Когда я пришел со школы вентилятор вращался, потому что на панель светило яркое солнце.
Так я наглядно увидел энергию которую дает солнце. А если подсоединить к батарее аккумулятор, то энергию можно сохранить.
Глава 3
-
-
Правила обращения с электричеством.
-
Благодаря электричеству жизнь людей стала более насыщенной, комфортной и полной возможностей. Но при этом ток может быть очень опаснен, ведь в считанные минуты он может навредить человеку.
Поэтому с электричеством нужно быть очень осторожными, особенно детям, ведь малыши не понимают всех опасностей. В первую очередь это относится к розеткам! Они должны быть оснащены специальными заглушками.
Когда я был помладше, родители проводили со мной беседу как правильно обращаться с электроприборами и розетками. Итак я знаю, что нельзя:
-
трогать электрические приборы мокрыми руками;
-
класть или вешать посторонние предметы на провод гаджетов;
-
закручивать кабели в узлы, пережимая их;
-
использовать поврежденные провода;
-
использовать приборы рядом с источниками тепла: батареями, плитами и т.д.;
-
включать несколько мощных устройств одновременно в одну розетку.
-
тянуть за шнур, выключая гаджет. Держаться нужно всегда за вилку.
Чтобы избежать последствий в ситуациях, когда, например, идёт дым от кабеля или прибора, чувствуется запах гари, папа показал мне, где находится щиток и как его выключить. В таких случаях надо срочно оповестить взрослых и не предпринимать других самостоятельных шагов.
-
-
Вывод
-
Работая над изучением электрической энергии я пришел к следующим выводам:
-
С амое главное, что я узнал, электричество является составной частью природы, окружающего мира. Оно может быть, как полезно для человека, так и представлять для него опасность.
-
Данное исследование позволило мне развить свои навыки работы с дополнительной литературой, умение проводить эксперименты, проводить анализ полученных результатов, обосновывать итоги исследований.
-
Я узнал, что об электричестве узнали совершенно случайно.
-
Я научился работать с аккумулятором и узнавать уровень тока в батарейках.
-
Я вместе с папой использовал энергию солнца и заставил работать прибор.
-
Проведя опыты, узнал, как электричество можно использовать.
-
Узнал технику безопасности работы с электричеством.
Заключение
Мы живем в прекрасное время, когда с помощью электричества, создаются невероятные вещи, делающие нашу жизнь комфортной и безопасной. Приспособления и оборудования для улучшения условий жизни, труда, для познания окружающего мира.
Чтобы оставить нам этот бесценный дар, многие ученые положили десятилетия своей жизни на его изучение. А с нашей стороны требуется всего лишь малость – научится правилам обращения с электричеством, не загрязнять окружающую природу отходами электричества и стараться использовать природную и безопасную энергию.
В результате нашей работы я узнал следующее:
Электричество является составной частью природы, окружающего мира. Оно присутствует во всём: в каждой частичке нашей планеты, в пространстве, в самом человеке.
Проводя, свои опыты я убедился, что возможно безопасное использование электричества. В повседневной жизни все больше использовать солнечные батареи. Использованные батарейки и аккумуляторы нельзя выкидывать, их нужно сдавать в пункты приема отходов.
Библиография
-
Интернет сайт: Урок по окружающему миру «Откуда в наш дом приходит электричество?» http://festival.1september.ru/articles/525345/
-
Е. П. Левитан, Т.А. Никифорова Занимательная физика. Детская энциклопедия.
-
Галилео | Электричество https://www.yandex.ru/video/preview/9311885293431456583
-
IQша. Откуда берется электричество? https://iqsha.ru/ilove/post/otkuda-beretsia-elektrichestvo
-
Сайт: «У электрика» https://yelektrika.ru/kak-podkljuchit-svetodiod-k-batarejke/
-
Галилео. Наука опытным путем. Выпуск №2, 2011, Солнечная энергия https://www.yandex.ru/video/preview/549143445442628397